Solarzelle auf Bio-Basis: Fotosynthese treibende Proteine erzeugen Strom statt Biomasse

Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben eine Solarzelle auf biologischer Basis entwickelt. Die beiden Proteine Photosystem 1 und 2, die in Pflanzen für die Fotosynthese verantwortlich sind, betteten sie in selbst entwickelte komplexe Moleküle ein und sorgten so für einen effizienten Elektronenstrom. Das Team um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Lehrstuhl Analytische Chemie und Zentrum für elektrochemische Forschung (CES) und Prof. Dr. Matthias Rögner vom Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen berichtet in der Zeitschrift ​„Angewandte Chemie“.

Photosysteme isolieren und einbetten

In Blättern nutzen die Photosysteme 1 und 2 Lichtenergie sehr effizient; das ist die Voraussetzung, um Kohlendioxid in Sauerstoff und Biomasse umzuwandeln. Die Bio-Solarzelle der Bochumer Wissenschaftler erzeugt hingegen Strom statt Biomasse. Das Team von Prof. Rögner isolierte die beiden Photosysteme aus hitzeliebenden Cyanobakterien, die in einer heißen Quelle in Japan leben. Aufgrund dieser Lebensweise sind die Photosysteme wesentlich stabiler als die vergleichbaren Proteine von Arten, die nicht unter extremen Umweltbedingungen vorkommen. Prof. Schuhmanns Team entwickelte komplexe Elektronen leitende Materialien, sogenannte Redoxhydrogele. In diese betteten die Forscher die Photosysteme ein, um sie mit den Elektroden der Photovoltaikzellen zu verbinden.

Aufbau der Bio-Solarzelle

Die Zelle besteht aus zwei Kammern. In der ersten Kammer entzieht das Protein Photosystem 2 Wassermolekülen Elektronen, wobei Sauerstoff entsteht. Die Elektronen wandern durch das Redoxhydrogel zur Elektrode der ersten Kammer, die mit der Elektrode der zweiten Kammer verbunden ist. Die Elektrode der zweiten Kammer leitet die Elektronen über ein anderes Redoxhydrogel auf das Photosystem 1. Dort werden die Elektronen auf Sauerstoff übertragen; es entsteht Wasser. Die Photosysteme verrichten diese Arbeit aber nur, wenn sie durch Lichtenergie angetrieben werden. Bei Lichteinfall fließt in dem geschlossenen System also permanent Strom.

Effizienz noch steigerbar

Um solare in elektrische Energie umzuwandeln, muss zwischen den beiden Elektroden eine Potenzialdifferenz vorliegen. Diese Differenz erreichten die Bochumer Forscher, indem sie Redoxhydrogele mit unterschiedlichen Potenzialen nutzten. Die Potenzialdifferenz bestimmt die Spannung und somit die Leistung der Biophotovoltaikzelle. Aktuell erreicht die Bio-Solarzelle Leistungen von einigen Nanowatt pro Quadratzentimeter. ​„Das System kann als Blaupause für die Entwicklung halbkünstlicher und natürlicher Zellsysteme dienen, in denen die Fotosynthese für die lichtgetriebene Erzeugung von sekundären Energieträgern wie beispielsweise Wasserstoff genutzt wird“, sagt Prof. Rögner. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters RESOLV (EXC 1069), die EU im Rahmen der Programme ​„CyanoFactory“ und ​„COST Action TD1102 Phototech“.

Originalpublikation:

T. Kothe, N. Plumeré, A. Badura, M.M. Nowaczyk, D.A. Guschin, M. Rögner, W. Schuhmann (2013): Die Kombination einer auf Photosystem 1 basierenden Photokathode und einer auf Photosystem 2 basierenden Photoanode zu einem Z‑Schema-Analogon für biophotovoltaische Anwendungen. Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/ange.201303671 Quelle: idw/​RUB (Redaktion: Dr. Julia Weiler)